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1、第六章 电液伺服系统,第一节 电液伺服系统的类型,一、模拟伺服系统 在模拟伺服系统中，全部信号都是连续的模拟量，在此系统中，输入信号、反馈信号、偏差信号及其放大、校正都是连续的模拟量,二、数字伺服系统 在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量。数字检测装置有很高的分辨能力，所以数字伺服系统可以得到很高的绝对精度。数字伺服系统的输入信号是很强的脉冲电压，受模拟量的噪声和零漂的影响很小。所以当要求较高的绝对精度，而不是重复精度时，常采用数字伺服系统。,第二节 电液位置伺服系统的分析,一、系统的组成及其传递函数,自整角机测量装置输出的误差信号电压 当 很小时， 自整角机的增益为 相敏放大器，将
2、其看成比例环节，其增益 伺服放大器传递函数可用伺服放大器增益表示，,电液伺服阀的传递函数 当伺服阀的频宽与液压固有频率相近时 当伺服阀的频宽大于液压固有频率(35倍)时 当伺服阀的频宽大于液压固有频率(510倍)时,在没有弹性负载和不考虑结构柔度的影响时,阀控液压马达的动态方程为 齿轮减速器的传动比为,系统的开环传递函数为,电液伺服阀的响应速度较快，与液压动力元件相比，其动态特性可以忽略不计，把它看成比例环节。 二、系统的稳定性分析 系统的稳定条件 通常相位裕量应在 之间，增益裕量20lg 应大于6dB(或 )。,取增益裕量 在相位裕量 时，其对应的相位为,20lg 6db,2,因为 只能取正
3、值故解得,如果取相位裕量 ，则 所对应的对数幅值,三、系统响应特性分析 系统闭环响应特性包括对指令信号和对外负载力矩干扰的闭环响应两个方面。 (一)对指令输入的闭环频率响应 其特征方程可用一个一阶因式和一个二阶因式表示，即,当 和 值都较小时，闭环参数与开环参数有如下的近似关系,(二)系统的闭环刚度特性 系统对外负载力矩的传递函数为 考虑到 时， ，则闭环刚度可写成,一阶滞后环节和一阶超前环节可近似抵消，则刚度的表达式简化为,在谐振频率 处闭环刚度最小，其值为 令s0，可得系统的闭环静态刚度为,四、系统的稳态误差分析 (一)指令输入引起的稳态误差 系统对指令输入的误差传递函数为 利用拉氏变换的
4、终值定理，求得稳态误差为,1阶跃输入 2. 等速输入 3. 等加速输入,(二)负载干扰力矩引起的稳态误差 系统对外负载力矩的误差传递函数为 稳态负载误差为 对恒值外负载力矩 ，则有,(三)零漂和死区等引起的静态误差 将零漂、死区等在系统中造成的误差称为系统的静差。 静摩擦力矩引起的静态位置误差为,静摩擦力矩折算到伺服阀输入端的死区电流为 电液伺服阀的零漂和死区所引起的位置误差为 静态位置误差为,五、计算举例 电液位置伺服系统。巳知:液压缸有效面积 ，系统总流量压力系数 ，最大工作速度Vm2.210-2m/s，最大静摩擦力Ff=1.75104 N，伺服阀零漂和死区电流总计为15mA。取增益裕量为
5、6dB，试确定放大器增益、穿越频率和相位裕量；求系统的跟随误差和静态误差。,系统的开环传递函数为 开环放大系数,光电检测器与伺服放大器增益,系统的跟随误差为,静摩擦力引起的死区电流为,零漂和死区引起的总静态误差为 系统的总误差为跟随误差和总静态误差之和，即(0.89+0.1)*10-3=0.99*10-3m,第三节 电液伺服系统的校正,一、滞后校正 滞后校正的主要作用是通过提高低频段增益，减小系统的稳态误差，或者在保证系统稳态精度的条件下，通过降低系统高频段的增益，以保证系统的稳定性。 传递函数为,加入滞后校正后，系统的开环传递函数为,设计步骤如下： 1)根据稳态误差的要求，确定系统的速度放大
6、系数Kvc 2)利用已确定的速度放大系数，画出末校正系统的伯德图检查未校正系统的相位裕量和增益裕量，看是否满足要求。 3)如果不满足要求，则应根据相位裕量和增益裕量的要求确定新的增益穿越频率。 4)选择转折频率 。为了减小滞后网络对 处相位滞后的影响，应使 低于新增益交界频率的1到10倍频程。 5)确定滞后超前比a，由 可确定出a值,一般在10-20之间，通常取a=10,滞后校正使速度放大系数提a高倍，因此使速度误差减小a倍。提高了闭环刚度，减小了负载误差。由于回路增益提高，减小了元件参数变化和非线性影响。但滞后校正降低了穿越频率，使穿越频率两侧的相位滞后增大，特别是低频侧相位滞后较大。如果低
7、频相位小于-180。在开环增益减小时，系统稳定性就要变坏，甚至变得不稳定。也就是说，系统变成了有条件稳定的系统，对系统参数变化和非线性影响比较敏感。,例1.已知阀控缸电液位置控制系统如图所示，负载质量M作直线运动，已知负载工况为行程xpmax=0.5m；M=1000kg;干摩擦力Ff=2000N；负载最大速度Vmax=0.1m/s。负载最大加速度a=2.2m/s2。能源压力为Ps=63bar；最大输入信号电压ei=5V；油液容积弹性模数e=10*108。选用的电液伺服阀的数据为：频率 ，阻尼系数 ；阀的流量增益 ；压力流量系数 。再取反馈增益为 Kf=10V/m， (1) 试设计液压缸的活塞面
8、积，进而确定液压缸的传递函数，并设计伺服放大器的增益Ka，使系统的相角裕度大于45度；幅值裕度大于6dB。,2.若希望由于干摩擦所引起的误差下降到原来的1/4，采用滞后校正，试设计滞后校正装置的参数，并调整直流放大器增益以保持系统的幅值裕度不变。,当Ka=0.2时,输入端误差 输出端误差 若要误差减小为原来的1/4，则增益应增大为原来的4倍，即Ka=0.8A，,若不改变原系统的截至频率则，滞后校正元件的分度系数应为4，取滞后校正元件的传递函数为：,二、速度与加速度反馈校正 速度反馈校正的主要作用是提高主回路的静态刚度，减少速度反馈回路内的干扰和非线性的影响，提高系统的静态精度。加速度反馈主要是
9、提高系统的阻尼。低阻尼是限制液压伺服系统性能指标的主要原因、如果能将阻尼比提高到0.4以上，系统的性能可以得到显著的改善。,速度与加速度反馈校正回路的闭环传递函数为,k1只有速度反馈校正时校回路的开环增益 K2-只有加速度反馈校正时校回路的开环增益 整个位置伺服系统的开环传递函数为,Kv系统未加校正时的开环增益，,只有速度反馈校正时，K2=0，速度反馈校正使位置系统的开环增益降为 ，固有频率增大为 ，阻尼比下降为 开环增益的下降，可以通过调整前置放大器的增益 加以补偿。 设具有速度与加速度反馈校正的固有频率与阻尼比分别为 和,三、压力反馈和动压反馈校正 采用压力反馈和动压反馈校正的目的是提高系
10、统的阻尼。负载压力随系统的动态而变化，当系统振动加剧时，负载压力也增大。如果将负载压力加以反馈，使输入系统的流量减少，则系统的振动将减弱，起到了增加系统阻尼的作用。 可以采用压力反馈伺服阀或动压反馈伺服阀实现压力反馈和动压反馈。也可以来用液压机械网络或电反馈实现压力反馈或动压反馈。,(一)压力反馈校正 压差或压力传感器测取液压马达的负载压力，反馈到功率放大器的输入端，构成压力反馈。 压力反馈回路的闭环传递函数为,校正后系统的阻尼比为 位置系统的开环传递函数为,压力反馈不改变开环增益和液压固有频率，但使阻尼比增加了 。,，,(二)动压反馈校正,第四节 电液速度控制系统,电液速度控制系统统按控制方
11、式可分为：阀控液压马达速度控制系统和泵控液压马达速度控制系统。阀控马达系统一般用于小功率系统，而泵控马达系统一般用于大功率系统。 一、阀控马达速度控制系统,系统开环传递函数,滞后校正,系统Bode图 稳定条件 滞后网络时间常数,二、 泵控马达速度控制系统 (一)泵控开环速度控制系统 变量泵的斜盘角由比例放大器、伺服阀、液压缸和位移传感器组成的位置回路控制。 (二)带位置环的泵控闭环速度控制系统,(三)不带位置环的泵控闭环速度控制系统,三、计算举例 设速度控制系统的原理图和方块图如图,该系统的开环增益为 K0=0.05*3060*1.25*3*0.175=100,系统校正：积分放大器,若T20，
12、则,当输入1v时，系统所对应的希望输出为,第五节 电液力控制系统,一、系统组成及工作原理 电液力控制系统主要由伺服放大器、电液伺服阀、液压缸和力传感器等组成,二、基本方程与开环传递函数 偏差电压信号为 力传感器方程为 伺服放大器动态可以忽略，其输出电流为 伺服阀传递函数可表示为,假定负载为质量、弹性和阻尼，则阀控液压缸的动态可用下面三个方程描述,阀芯位移Xv至液压缸输出力Fg的传递函数,负载的阻尼系数Bp很小可以忽略不计。,若满足,液压弹簧与负载弹簧并联耦合的刚度与负载质量形成的固有频率,阻尼比 系统开环传递函数,讨论两种特殊的情况： 1、 即负载刚度远大于液压弹簧刚度 2、 即负载刚度远小于液压弹簧刚度。,三、系统特性分析 力控制系统的稳定性受负载刚度的影响很大，负载刚度越小，系统越不易稳定。负载刚度变小时， (或 )处的谐振峰值可能超过零分贝线，系统变为不稳定。故一般用最小的负载刚度来分析和设计系统的稳定性。,校正 校正环节传递函数为,课后思考题 4、5、7、8 课后作业： 习题1、3,
